我国目前可再生能源非电利用水平明显滞后，可再生能源供暖面积仅占北方地区供暖面积的2%。因此，在“十四五”期间，要实现可再生能源高质量、多元化发展，则应进一步重视非电领域的可再生能源发展。北京市太阳能研究所有限公司（下文简称北太所）是北京市政府直接批文成立的中国最早的太阳能专业研究机构，现今已成为中国在太阳能行业颇具研发实力的、集科研、生产、销售于一体的高科技公司，并在国际上享有较高声誉；其研究领域分为太阳能光热技术、太阳能光伏技术、生物质燃料技术及相关材料科学研究。本文全面分析总结了北太所采用多能互补供热采暖系统综合应用技术在北京市海淀区民政局阳台山老年公寓实施的清洁能源供热采暖工程应用情况。
1 工程概况
本项目为主动式太阳能供热采暖系统——液体工质集热器短期蓄热采暖系统，项目地点位于北京市海淀区北安河村西47中西侧，主要为老年公寓提供冬季采暖和四季生活热水。
阳台山老年公寓，总面积40多亩，建筑面积10000平米，设休养床位380张，有养老房间总计140间左右，合计淋浴器120个、热水龙头120个。
该公寓的围护结构较好、保暖性能良好；公寓屋面为平顶，主体朝向为正南方向，采光条件良好，适宜于安装太阳能集热器。
根据北方气候特点、老年公寓所处位置及对老年人的特殊关怀，老年公寓供暖时间为10月中旬至来年4月中旬，供暖周期为181天，供暖期延长60天。
本项目概况及主要技术参数归纳如下：
2 系统设计
2.1 设计原则
本系统考虑到采暖的季节性，因而确定的设计原则是：在采暖期，太阳能供热采暖系统主要用于为老年公寓采暖，同时提供少量的生活热水；在非采暖期，太阳能供热采暖系统为公寓提供生活热水，满足洗浴、食堂、洗衣房等生活用水，做到全年综合利用，从而使整个系统产生更大的经济效益。
2.2 系统组成及运行原理
老年公寓供热采暖系统是由太阳能供热系统、空气源热泵系统、污水源热泵系统、水源热泵系统、电加热系统、锅炉系统等组成。
图1 太阳能供热采暖系统原理示意图
系统实现全自动运行，当需要采暖时，开启采暖循环泵，将储热水箱的热量通过管路和散热器送到房间中，以提高房间温度，达到提高和保证室温的目的。
系统为全系统节能运行模式，分为不同时间、不同季节相互配合切换使用，使整套供暖系统达到最佳的节能效果。
由于太阳能受天气和室内管道散温情况的制约，为了能够很好的满足用水的要求，太阳能系统设计辅助热源，本工程采用空气源热泵、污水源热泵、水源热泵、电加热系统、锅炉供热系统等多项热源作为供暖系统的辅助热源。在阴雨天太阳能提供的热水不能满足用热要求时，微电脑控制器开启输出信号，依次使用热泵热源，热泵不能满足供热要求时最优使用管道辅助电加热系统提供补充使用，电加热系统简便易行通电即可使用，在最恶略的天气情况下，以上所有清洁补充能源不能满足采暖供热要求时，启用锅炉系统供暖供热来满足使用要求，确保系统持续正常的供暖供热。辅助加热系统保证系统使用的基本温度和管道的日常温度损失，当太阳能供热温度高于或达到正常供热值时，辅助加热系统停止加热。最大限度地利用太阳能、空气能等节能设施，达到节能的目的。
图2 太阳能供热采暖系统流程图
太阳能循环系统主要用于白天日照充足时循环加热供暖，冬季晴天可满足6小时的供暖负荷。系统采用开式-温差强制循环系统。当太阳能集热器最高点温度与采暖水箱水温的差值高于设定温度△T1，即T1－T2≥△T1（5-10℃），启动太阳能集热循环泵；当T1－T2≤△T2（1-4℃）时，停止太阳能集热循环泵。这是一个往复不断逐级加热的过程，逐渐将集热器吸收的热量储存在太阳能储热水箱中，最大限度的利用太阳能。
图3 桑普水平热管真空管太阳能集热器阵列
空气源热泵系统配合太阳能系统提供0℃以上热水，也可直接参与供暖，循环使用，保证全天候供暖。空气源热泵系统防冻为自身低温防护及暖气回路微循环保护。
污水水源热泵系统，通过对公寓楼内每日排出的50吨左右的污水热量收集进行转换后重新利用。本项目安装一台25匹的污水热泵。污水温度恒定，基本不受外界温度限制，系统设计污水集中排放，在公寓下方污水排放口处，设计制作一个污水收集池（污水常年温度保持在15-25度左右），采用污水热泵机组对生活污水热量进行回收。当污水池中水温高于设定温度时，污水热泵启动，与恒温水箱或者循环水箱进行循环加热，为采暖系统及供热系统提供补充能源，当加热温度达到使用要求时停止运行，污水池中的污水低于5℃时自动排放，新的污水进行补充依次循环补充达到供热节能要求。
由于采暖初期与末期白天不需要供暖，太阳能系统收集的热量全部储存在水箱中，水温超出40℃时直接通过板换换热供暖，水温低于40℃时通过水源热泵转换再供暖，直至水温低于10℃时水源热泵系统停止运行。本系统配置1台180kW的的水源热泵机组，转换热效率为1:4左右，每天可转换90吨低温水。
系统安装配备3个30kW的电加热器备用，当太阳能、空气能和污水源热泵系统运行温度低于35℃时，电加热系统启动辅助加热；当温度高于39℃时停止电加热系统，短时使用减少燃油锅炉的启动频率，保障供暖系统的安全、节能运行。
锅炉系统为最后的保障，保障系统供暖温度在38-48℃间运行。当阴雨雪天气及超低温时，系统不能保证供暖的基本温度时，启动锅炉供暖系统。系统安装一台900kW燃油锅炉一台，对锅炉供暖系统升级改造后，采暖期热负荷，50%由燃油炉供暖， 50%由太阳能及其他节能设备供应。非采暖季100%使用太阳能供热，有效达到了节能减排的设计要求。
生活热水冬季由室内电热水器供给，春、夏、秋三季全部由太阳能系统和空气源热泵系统供给，不需其他辅助加热设备。
由于太阳能供暖系统的特殊性，采暖期过后系统供热系统会长时间处于过热高温状态，对系统运行造成很大的安全隐患。对系统升级改造后，加装一台50吨散热功能的无动力冷却塔散热系统，有效的保障系统温度控制在安全范围之内运行，同时与动力冷却塔相比每天减少耗电30度。
本系统在设计时充分考虑了系统的防冻措施，除了对整个系统设备和管路进行严格的保温外，还对整个系统进行低温防冻控制，主要采用的方式是低温循环防冻和电热带防冻，以保证太阳能供热采暖系统的正常运行。
2.3 集热元件选型
考虑到北京地区冬季寒冷的气候特点和与建筑一体化设计的要求，该系统选用选用桑普水平热管式真空管集热器作为集热元件。
水平热管式真空管太阳能集热器除具体传统的重力式热管集热器的优点外，还有其独特的优点：
1）与建筑一体化设计安装适应性强，不会突兀于建筑之上，影响美观；
2）可以水平安装，节省空间，可有效增加屋顶面积利用率，尽最大可能提高太阳能保证率；
3）安装简单、安全，抗风能力强；
4）安装成本低廉，不需要三角架等辅助材料和安装费用；
5）运行可靠，维护简单，便于维护；
6）更适合安装在低纬度地区，比如海南，避免有角度安装的集热器夏天可以使用，到了冬天太阳能照射在另一面而不能使用的情况；
7）集热管内吸热板可根据当地纬度调整到合适的角度，这样既能达到与建筑的完美结合，又不降低系统的能效。
根据屋面的具体情况，集热器分为三个阵列，每一陈列为一集热循环系统。系统设计安装桑普水平热管真空管集热器279组，集热器总面积为1116m2。
3 系统运行结果及安装实景图
本太阳能供热采暖系统项目一期于2015年4月份竣工验收，二期于2016年11月份竣工验收，均已投入运行使用3年到4年的时间，运行情况良好。
此系统运行后整个老年公寓的供暖供热系统运行费用比原系统运行费用降低50%左右，有效地降低常规能源的使用。
该项目被评为2017年度“首都蓝天行动科技示范工程”。（作者：北京市太阳能研究所有限公司 律翠萍）
